特許 7603892 ガス検出器及びガス検出器アレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-12

(45)【発行日】2024-12-20

(54)【発明の名称】ガス検出器及びガス検出器アレイ

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3504 20140101AFI20241213BHJP

【ＦＩ】

G01N21/3504

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2024542039

(86)(22)【出願日】2023-11-20

(86)【国際出願番号】 JP2023041680

【審査請求日】2024-07-12

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福島 昌一郎

(72)【発明者】

【氏名】嶋谷 政彰

(72)【発明者】

【氏名】岩川 学

(72)【発明者】

【氏名】小川 新平

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】特許第７３２１４０３（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２０２１／１３１５７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２１／２５６０１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－０３１６６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７－２１／６１

Ｇ０１Ｎ ２７／００－２７／１０

Ｇ０１Ｎ ２７／１４－２７／２４

Ｇ０１Ｊ １／０２

Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０２

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検出対象のガスを検出するためのガス検出器であって、
絶縁層と、
前記絶縁層上に配置されている少なくとも１つの第１電極と、
前記少なくとも１つの第１電極と電気的に接続されている少なくとも１つの二次元材料層と、
前記少なくとも１つの二次元材料層を介して前記少なくとも１つの第１電極と電気的に接続されている少なくとも１つの第２電極とを備え、
前記少なくとも１つの二次元材料層は、外部に露出している露出面を有しており、
前記検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が前記少なくとも１つの二次元材料層に入射されたときに、前記少なくとも１つの二次元材料層で光電変換が行われ、
前記少なくとも１つの第１電極及び前記少なくとも１つの第２電極は、第１組の第１電極及び第２電極と、前記第１組の第１電極及び第２電極と間隔を空けて配置されている第２組の第１電極及び第２電極とを有し、
前記少なくとも１つの二次元材料層は、前記第１組の第１電極及び第２電極の間を電気的に接続する第１二次元材料層と、前記第１二次元材料層と間隔を空けて配置されておりかつ前記第２組の第１電極及び第２電極の間を電気的に接続している第２二次元材料層とを有し、
前記第１二次元材料層は、前記露出面を有し、
前記第２二次元材料層を覆う第１被覆膜をさらに備え、
前記第１被覆膜は、前記検出対象のガスの透過を阻害するように設けられている、ガス検出器。

【請求項2】

前記少なくとも１つの第１電極及び前記少なくとも１つの第２電極は、前記第１組の第１電極及び第２電極、並びに、前記第２組の第１電極及び第２電極の各々と間隔を空けて配置されている第３組の第１電極及び第２電極をさらに有し、
前記少なくとも１つの二次元材料層は、前記第１二次元材料層及び前記第２二次元材料層の各々と間隔を空けて配置されておりかつ前記第３組の第１電極及び第２電極の間を電気的に接続している第３二次元材料層をさらに有し、
前記第３二次元材料層を覆う第２被覆膜をさらに備え、
前記第２被覆膜は、前記検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波の透過を阻害するように設けられている、請求項１に記載のガス検出器。

【請求項3】

前記第１二次元材料層と接している、または前記絶縁層を介して前記第１二次元材料層と接続されている第１強誘電体層と、
前記第２二次元材料層と接している、または前記絶縁層を介して前記第２二次元材料層と接続されている第２強誘電体層とをさらに備え、
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層を構成する材料は、前記検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が入射されたときに分極が生じる材料である、請求項１又は２に記載のガス検出器。

【請求項4】

前記第１二次元材料層と接している第１接触層と、
前記第２二次元材料層と接している第２接触層とをさらに備え、
前記第１接触層及び前記第２接触層を構成する材料は、前記第１二次元材料層又は前記第２二次元材料層に電子又は正孔を供給可能な材料である、請求項１又は２に記載のガス検出器。

【請求項5】

前記第１二次元材料層と接している第１導電体と、
前記第２二次元材料層と接している第２導電体とをさらに備える、請求項１又は２に記載のガス検出器。

【請求項6】

前記第１二次元材料層及び前記第２二次元材料層の各々は、前記絶縁層上に互いに間隔を空けて配置されている第１部分及び第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に架橋されている第３部分とを有している、請求項１又は２に記載のガス検出器。

【請求項7】

検出対象のガスを検出するためのガス検出器であって、
絶縁層と、
前記絶縁層上に配置されている少なくとも１つの第１電極と、
前記少なくとも１つの第１電極と電気的に接続されている少なくとも１つの二次元材料層と、
前記少なくとも１つの二次元材料層を介して前記少なくとも１つの第１電極と電気的に接続されている少なくとも１つの第２電極とを備え、
前記少なくとも１つの二次元材料層は、外部に露出している露出面を有しており、
前記検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が前記少なくとも１つの二次元材料層に入射されたときに、前記少なくとも１つの二次元材料層で光電変換が行われ、
第１面と、前記第１面とは反対側に位置する第２面とを有する半導体層をさらに備え、
前記絶縁層は、前記第１面上に配置されており、
前記絶縁層には、前記第１面の一部を露出する少なくとも１つの開口部が形成されており、
前記少なくとも１つの二次元材料層は、前記少なくとも１つの第１電極と前記半導体層との間を電気的に接続しており、前記少なくとも１つの開口部内から前記絶縁層上にまで延在しており、
前記少なくとも１つの第２電極は、前記第２面上に配置されており、前記半導体層を介して前記少なくとも１つの二次元材料層と電気的に接続されており、
前記少なくとも１つの開口部は、互いに間隔を空けて配置されている第１開口部及び第２開口部を有し、
前記少なくとも１つの第１電極は、互いに間隔を空けて配置されている第１の第１電極及び第２の第１電極を有し、
前記少なくとも１つの二次元材料層は、前記第１開口部内から前記絶縁層上にまで延在しておりかつ前記第１の第１電極と前記半導体層との間を電気的に接続している第４二次元材料層と、前記第２開口部内から前記絶縁層上にまで延在しておりかつ前記第２の第１電極と前記半導体層との間を電気的に接続している第５二次元材料層とを有し、
前記第５二次元材料層を覆う第３被覆膜をさらに備え、
前記第３被覆膜は、前記検出対象のガスの透過を阻害するように設けられている、ガス検出器。

【請求項8】

前記少なくとも１つの開口部は、前記第１開口部及び前記第２開口部の各々と間隔を空けて配置されている第３開口部をさらに有し、
前記少なくとも１つの第１電極は、前記第１の第１電極及び前記第２の第１電極の各々と間隔を空けて配置されている第３の第１電極をさらに有し、
前記少なくとも１つの二次元材料層は、前記第３開口部内から前記絶縁層上にまで延在し、前記第３の第１電極と前記半導体層との間を電気的に接続する第６二次元材料層とを備え、
前記第６二次元材料層を覆う第４被覆膜をさらに備え、
前記第４被覆膜は、前記検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波の透過を阻害するように設けられている、請求項７に記載のガス検出器。

【請求項9】

前記第４二次元材料層の前記絶縁層上に配置されている部分は、前記第１面と交差する方向に延びる第１端面を有し、
前記第４二次元材料層の前記第１開口部内に配置されている部分は、前記交差する方向に延びる第２端面を有し、
前記第５二次元材料層の前記絶縁層上に配置されている部分は、前記交差する方向に延びる第３端面を有し、
前記第５二次元材料層の前記第２開口部内に配置されている部分は、前記交差する方向に延びる第４端面を有し、
前記第２端面の面積の総和は、前記第１端面の面積の総和よりも大きく、
前記第４端面の面積の総和は、前記第３端面の面積の総和よりも大きい、請求項７又は８に記載のガス検出器。

【請求項10】

請求項１又は７に記載のガス検出器を複数備え、
前記複数のガス検出器の各々は、アレイ状に配置されている、ガス検出器アレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガス検出器及びガス検出器アレイに関し、特に二次元材料層を備えるガス検出器及びガス検出器アレイに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１９－１０２５６７号公報（特許文献１）には、グラフェンからなるゲートとゲート絶縁膜とを備える電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor，ＦＥＴ）が開示されている。特許文献１に記載のＦＥＴは、グラフェンにアンモニア等の検出対象のガスが吸着した時の仕事関数変化に起因した閾値電圧変化によって生じるドレイン電流変化に基づき、ＦＥＴがガスを検出するガスセンサとして作用する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－１０２５６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

グラフェンには、種々のガスが吸着する。そのため、上記ＦＥＴでは、検出対象以外のガスがグラフェンに吸着されたときにもドレイン電流が変化する。つまり、上記ＦＥＴでは、混合ガス中において特定のガス種を検出すること、又はガス種を識別することは困難である。

【0005】

本開示では、特定のガス種を検出又はガス種を識別するための技術が提案される。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一実施の形態のガス検出器は、絶縁層と、絶縁層上に配置されている少なくとも１つの第１電極と、少なくとも１つの第１電極と電気的に接続されている少なくとも１つの二次元材料層と、少なくとも１つの二次元材料層を介して少なくとも１つの第１電極と電気的に接続されている少なくとも１つの第２電極とを備える。少なくとも１つの二次元材料層は、外部に露出している露出面を有している。少なくとも１つの二次元材料層は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が入射されたときに、光電変換が行われるように設けられている。

【発明の効果】

【0007】

本開示に従うと、特定のガス種を検出又はガス種を識別することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係るガス検出器の平面模式図である。

【図2】図１中の矢印ＩＩーＩＩから視た断面模式図である。

【図3】実施の形態１に係るガス検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。

【図4】実施の形態１に係るガス検出器における、電磁波検出方式によるガス検出の動作原理を具体的に説明するための図である。

【図5】実施の形態１に係るガス検出器における、吸着方式によるガス検出の動作原理を具体的に説明するための図である。

【図6】実施の形態２に係るガス検出器の断面模式図である。

【図7】実施の形態３に係るガス検出器の断面模式図である。

【図8】実施の形態４に係るガス検出器の断面模式図である。

【図9】実施の形態５に係るガス検出器の断面模式図である。

【図10】実施の形態６に係るガス検出器の断面模式図である。

【図11】図１０中の矢印ＸＩーＸＩから視た断面模式図である。

【図12】実施の形態６に係るガス検出器の第１変形例を示す平面模式図である。

【図13】実施の形態６に係るガス検出器の第２変形例を示す平面模式図である。

【図14】実施の形態７に係るガス検出器アレイの上面図である。

【図15】実施の形態７に係るガス検出器アレイから得られた電気信号を読み出す読出し回路の一例を示す模式図である。

【図16】実施の形態７に係るガス検出器アレイの第１変形例を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。

【0010】

以下に説明される実施の形態において、図は模式的なものであり、機能または構造を概念的に説明するものである。また、以下に説明される実施の形態により本開示が限定されるものではない。特記される場合を除いて、ガス検出器の基本構成は全ての実施の形態において共通である。また、同一の符号が付されたものは、上述のように同一またはこれに相当するものである。これは明細書の全文において共通する。

【0011】

本開示に係るガス検出器は、検出対象のガスを検出するためのガス検出器である。本開示に係るガス検出器が検出対象とするガスには、任意の気体、または任意の気体中に浮遊している任意の微粒子が含まれる。任意の微粒子として、エアロゾルの形態で任意の気体中に浮遊している、任意の液体の微粒子又は任意の固体の微粒子が挙げられる。

【0012】

本開示に係るガス検出器は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が入射されたときに少なくとも二次元材料層にて生じる光電変換に伴う二次元材料層の電気特性の変化と、検出対象のガスが二次元材料層に吸着することに伴う二次元材料層の電気特性の変化とを、ガス検出信号として検出し、さらに各変化量を測定する。本明細書では、前者の電気特性の変化に基づくガス検出を電磁波検出方式によるガス検出とも記載し、後者の電気特性の変化に基づくガス検出を吸着方式によるガス検出とも記載する。

【0013】

以下に説明される実施の形態では、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波として、可視光または赤外光を検出する方式のガス検出器の構成が説明されるが、本開示のガス検出器が検出する電磁波は可視光および赤外光に限定されない。以下に説明される実施の形態は、可視光および赤外光に加えて、例えば、Ｘ線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、マイクロ波などの電波を検出する検出器としても有効である。なお、以下に説明される実施の形態では、これらの光および電波を総称して電磁波と記載する。

【0014】

以下では、二次元材料層の材料として、グラフェンを例に説明を行っているが、二次元材料層を構成する材料はグラフェンに限られない。たとえば、二次元材料層の材料としては、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤ：Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）、黒リン（Ｂｌａｃｋ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）、シリセン（シリコン原子による二次元ハニカム構造）、ゲルマネン（ゲルマニウム原子による二次元ハニカム構造）等の材料を適用することができる。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、たとえば、ＭｏＳ₂、ＷＳ₂、ＷＳｅ₂等の遷移金属ダイカルコゲナイドが挙げられる。

【0015】

これらの材料は、グラフェンと類似の構造を有しており、原子を二次元面内に単層で配列することが可能な材料である。したがって、これらの材料を二次元材料層に適用した場合においても、二次元材料層にグラフェンを適用した場合と同様の作用効果を得ることができる。

【0016】

二次元材料層は、単層に配列された二次元材料（例えば単層グラフェン）により構成されていてもよい。二次元材料層は、多層に配列された二次元材料（例えば多層グラフェン）により構成されていてもよい。後者の二次元材料層では、光電変換効率が増加し、ガス検出器の感度は高くなる。また、後者の二次元材料層にはバンドギャップが形成される。その結果、後者の二次元材料層は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が二次元材料層１に入射したときにのみ二次元材料層１において光電変換が行われるように、設けられ得る。また、二次元材料層中に含まれる二次原材料の層数が増加すると、チャネル領域でのキャリアの移動度は低下するが、当該二次元材料層は基板などの下地構造からのキャリア散乱の影響を受けにくくなり、結果的にノイズレベルが低下する。そのため、多層に配列された二次元材料を含む二次元材料層を備えるガス検出器では、電磁波の検出感度を高められる。なお、二次元材料層中において互いに積層されている複数のグラフェンのうち、任意の２層のグラフェン間の六方格子の格子ベクトルの向きは、互いに一致していてもよいし、一致していなくてもよい。

【0017】

二次元材料層が多層グラフェンにより構成されている場合、積層方位角度が自然状態のグラファイトに見られるＡＢ積層のみではなく、乱層積層でもよい。乱層積層はランダム積層、turbostratic grapheneとも呼ばれる。乱層構造部分の作製方法は、適宜に決められてもよい。例えば、ＣＶＤ法で作製された単層のグラフェンが複数回転写され、多層グラフェンが積層されることで乱層構造部分が形成されてもよい。また、グラフェン上にエタノールまたはメタンなどが炭素源として配置され、グラフェンがＣＶＤ法によって成長することで乱層構造部分が形成されてもよい。

【0018】

また、以下では、二次元材料層について、ｐ型又はｎ型との用語が用いられる場合がある。以下の実施の形態では、真性状態の二次元材料層よりも正孔が多いものをｐ型、真性状態の二次元材料層よりも電子が多いものをｎ型と呼ぶ。二次元材料層は、不純物がドープされていない真性であってもよいし、ｐ型又はｎ型の導電型を有していてもよい。

【0019】

また、以下では、二次元材料層に接する部材の材料について、ｎ型又はｐ型の用語が用いられる場合がある。ここでは、例えば、ｎ型材料とは電子供与性を有する材料、ｐ型材料とは電子求引性を有する材料を示す。また、分子全体において電荷に偏りが見られ、電子が支配的となるものをｎ型、正孔が支配的となるものをｐ型と呼ぶ場合もある。これらの材料としては、有機物及び無機物のいずれか一方又はそれらの混合物を用いることができる。

【0020】

また、二次元材料層が電極と接触している場合、電極から二次元材料層へキャリアがドープされる。例えば、電極の材料として金（Ａｕ）を用いた場合、二次元材料層とＡｕとの仕事関数の差から、電極近傍の二次元材料層に正孔がドープされる。この状態でガス検出器を電子伝導状態で駆動させると、電極から二次元材料層にドープされた正孔の影響により、二次元材料層のチャネル領域内に流れる電子の移動度が低下し、二次元材料層と電極とのコンタクト抵抗が増加する。このコンタクト抵抗の増加により、ガス検出器における電界効果による電子（キャリア）の移動度が低下し、ガス検出器の性能低下が生じるおそれがある。特に、二次元材料層が単層グラフェンにより構成されている場合、二次元材料層が多層グラフェンにより構成されている場合と比べて、電極から注入されるキャリアのドープ量が大きい。そのため、ガス検出器における上記電子の移動度の低下は、二次元材料層として単層グラフェンを用いた場合に特に顕著である。したがって、二次元材料層の全体が単層グラフェンにより構成されている場合、ガス検出器の性能が低下するおそれがある。そこで、二次原材料層のうち少なくとも電極との接触領域は、多層グラフェンにより構成されていてもよい。多層グラフェンでは、単層グラフェンに比べて、電極からのキャリアドーピングが小さくなる。そのため、二次元材料層と電極との間のコンタクト抵抗の増加を抑制できる。この結果、ガス検出器における上述した電子の移動度の低下を抑制することができ、ガス検出器の性能を向上できる。

【0021】

また、二次元材料層は、ナノリボン状のグラフェン（以下、グラフェンナノリボンとも呼ぶ）を含んでいてもよい。二次元材料層は、例えば、グラフェンナノリボン単体、複数のグラフェンナノリボンを積層した複合体、又は、グラフェンナノリボンが平面上に周期的に配列された構造体（例えば、グラフェンメタマテリアル）のいずれかであってもよい。グラフェンナノリボンが平面上に周期的に配列された構造体として構成されている二次元材料層では、プラズモン共鳴が発生し得る。この結果、ガス検出器の感度を向上できる。

【0022】

なお、本明細書では、金属表面と光との相互作用である表面プラズモン共鳴現象等のプラズモン共鳴現象、可視光域・近赤外光域以外での金属表面にかかる共鳴という意味での擬似表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象、又は、波長以下の寸法の構造により特定の波長を操作するという意味でのメタマテリアル又はプラズモニックメタマテリアルと呼ばれる現象については、特にこれらを名称により区別せず、現象が及ぼす効果の面からは同等の扱いとする。本明細書では、これらの共鳴を、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、又は、単に共鳴と呼ぶ。

【0023】

本明細書において、絶縁層と表記されるものは、トンネル電流が生じない厚さを有する絶縁膜の層である。

【0024】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るガス検出器１００の平面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ－ＩＩにおける断面模式図である。図２には、ガス検出器１００の典型的な電気的接続も示されている。

【0025】

図１および図２に示されるガス検出器１００は、複数の検出部を備えている。複数の検出部は、第１検出部１００Ａと、第２検出部１００Ｂとを有する。第１検出部１００Ａ及び第２検出部１００Ｂは、基本的に、互いに同等の構成を有している。

【0026】

第１検出部１００Ａ及び第２検出部１００Ｂの各々は、二次元材料層１と、第１電極２ａと、第２電極２ｂと、第３電極２ｃと、絶縁層３と、半導体層４とを主に備える。第１検出部１００Ａ及び第２検出部１００Ｂは、例えば第３電極２ｃ、絶縁層３、及び半導体層４を共有する。第２検出部１００Ｂは、第１被覆膜５をさらに備えている点で、第１検出部１００Ａとは異なる。異なる観点から言えば、ガス検出器１００は、複数の二次元材料層１と、複数の第１電極２ａと、複数の第２電極２ｂと、１つの絶縁層３と、１つの半導体層４と、１つの第１被覆膜５とを備える。

【0027】

半導体層４は、第１面４１と、第１面４１とは反対側に位置する第２面４２とを有している。二次元材料層１、第１電極２ａ、第２電極２ｂ、及び絶縁層３は、半導体層４の第１面４１上に配置されている。第３電極２ｃは、半導体層４の第２面４２上に配置されている。以下では二次元材料層１、第１電極２ａ、第２電極２ｂ、及び絶縁層３の各々について、それぞれに対して半導体層４とは反対側に位置する部分を、各々の上部と呼び、それぞれに対して半導体層４側に位置する部分を、各々の下部と呼ぶ。

【0028】

半導体層４は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波に感度を有している。言い換えると、半導体層４は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が入射されたときに、光電変換が行われるように設けられている。

【0029】

半導体層４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる。具体的には、半導体層４としては、不純物がドープされたシリコン基板などが用いられる。

【0030】

ここで、半導体層４は、多層構造であってもよく、ｐｎ接合フォトダイオードや、ｐｉｎフォトダイオード、ショットキーフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードを用いてもよい。また、半導体層４としてフォトトランジスタを用いてもよい。

【0031】

半導体層４を構成する半導体材料として、上述のようにシリコン基板を例として説明したが、当該半導体層４を構成する材料として他の材料を用いてもよい。たとえば、半導体層４を構成する材料として、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＩＩＩ－Ｖ族又はＩＩ－Ｖ族半導体などの化合物半導体、水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、鉛セレン（ＰｂＳｅ）、鉛硫黄（ＰｂＳ）、カドミウム硫黄（ＣｄＳ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、又は、量子井戸又は量子ドットを含む基板、ＴｙｐｅＩＩ超格子などの材料の単体又はそれらを組み合わせた材料を用いてもよい。

【0032】

半導体層４の電気抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下になるように、半導体層４に不純物がドーピングされていることが好ましい。半導体層４が高濃度にドーピングされることで、キャリアの半導体層４中での移動速度（読み出し速度）が速くなる。この結果、ガス検出器１００の応答速度が向上する。

【0033】

絶縁層３は、半導体層４の第１面４１上に配置されている。絶縁層３の下部表面は、半導体層４の第１面４１に接触している。絶縁層３の上部表面は、例えば、後述する二次元材料層１の第３部分１ｃ、第１電極２ａ、及び第２電極２ｂの各々の下部表面と接触している。なお、絶縁層３の上部表面には、第１電極２ａ及び第２電極２ｂの各々の下部表面と接触している部分に対して凹んでいる凹部が形成されていてもよい。当該凹部は、半導体層４の第１面４１を露出させる開口部として形成されていてもよい。この場合、後述する二次元材料層１の第３部分１ｃは、絶縁層３の上記凹部上に架橋されていてもよい。

【0034】

絶縁層３を構成する材料は、電気絶縁性を有する任意の材料であればよいが、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を含む。絶縁層３を構成する材料は、例えば、ＳｉＯ₂、オルトケイ酸テトラエチル（Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、窒化ボロン（ＢＮ）（ボロンナイトライド）、及びシロキサン系のポリマー材料からなる群から選択される少なくともいずれかを含む。例えば、窒化ボロンの原子配列はグラフェンのそれと似ているため、窒化ボロンがグラフェンからなる二次元材料層１と接しても電荷の移動度に悪影響を与えない。そのため、絶縁層３が電子移動度などの二次元材料層１の性能を阻害することを抑制する観点から、窒化ボロンは絶縁層３を構成する材料に好適である。

【0035】

複数の第１電極２ａ及び複数の第２電極２ｂは、絶縁層３の上部表面上に互いに間隔を空けて配置されている。複数の第１電極２ａ及び複数の第２電極２ｂは、第１検出部１００Ａに含まれる第１組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂと、第２検出部１００Ｂに含まれる第２組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂとを有する。第１組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂは、互いに間隔を空けて配置されている。第２組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂは、互いに間隔を空けて配置されている。第２組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂは、第１組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂと間隔を空けて配置されている。

【0036】

第１電極２ａおよび第２電極２ｂを構成する材料は、導電性を有する任意の材料であればよいが、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、及びパラジウム（Ｐｄ）からなる群から選択される少なくともいずれかを含む。また、第１電極２ａ及び第２電極２ｂの少なくともいずれかと絶縁層３との間には、これらの間の密着性を高めるための図示しない密着層が形成されていてもよい。密着層を構成する材料は、特に制限されないが、例えばクロム（Ｃｒ）及びチタン（Ｔｉ）の少なくともいずれかを含んでいてもよい。

【0037】

図２に示されるように、第１電極２ａ及び第２電極２ｂは、例えば二次元材料層１の下部に形成されている。なお、第１電極２ａ及び第２電極２ｂは、二次元材料層１の上部に形成されていてもよい。

【0038】

図２に示されるように、第１組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂ間には、第１検出部１００Ａの二次元材料層１にバイアス電圧Ｖｓｄ１を印加するための電源回路が電気的に接続される。第２組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂ間には、第２検出部１００Ｂの二次元材料層１にバイアス電圧Ｖｓｄ２を印加するための電源回路が電気的に接続される。各電源回路は、電圧源と、図示しない電流計とを含んでいる。各電圧源は、第１組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂ間に上記バイアス電圧Ｖｓｄ１を印加する、または第２組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂ間にバイアス電圧Ｖｓｄ２が印加する。各電流計は、第１組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂ間に上記バイアス電圧Ｖｓｄ１が印加されたときに流れる電流Ｉｓｄ１、または第２組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂ間にバイアス電圧Ｖｓｄ２が印加されたときに流れる電流Ｉｓｄ２を検出する。

【0039】

第３電極２ｃは、例えば半導体層４の第２面４２の全面上に設けられている。なお、第３電極２ｃは、少なくとも半導体層４の一部と接していればよい。例えば、第３電極２ｃは、第１面４１と交差する方向に延びる半導体層４の側面のうちの一部と接するように設けられていてもよい。このようなガス検出器１００は、第２面４２側から入射した電磁波を検出可能となる。なお、図２に示されるように、第３電極部２ｃが半導体層４の第２面４２の全面上に設けられているガス検出器１００は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が第１面４１側からのみ入射する場合に、好適である。図２に示されるガス検出器１００では、第１面４１側から入射して半導体層４を透過した電磁波が第２電極２ｂにより反射して再び二次元材料層１に到達するため、二次元材料層１における電磁波の吸収率が高められる。

【0040】

図２に示されるように、第３電極２ｃには、半導体層４に電圧Ｖｇを印可する電源回路が電気的に接続される。

【0041】

複数の二次元材料層１は、第１二次元材料層１１と第２二次元材料層１２とを有する。第１二次元材料層１１は、第１組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂ間を電気的に接続している。第２二次元材料層１２は、第２組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂ間を電気的に接続している。第２二次元材料層１２は、第１二次元材料層１１と間隔を空けて配置されている。第１二次元材料層１１及び第２二次元材料層１２は、互いに同等の構成を有している。

【0042】

各二次元材料層１は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波に感度を有している。言い換えると、各二次元材料層１は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が入射されたときに、光電変換が行われるように設けられている。好ましくは、各二次元材料層１は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が二次元材料層１に入射したときにのみ二次元材料層１において光電変換が行われるように、設けられている。

【0043】

各二次元材料層１は、その二次元面に沿って延びる上部表面を有している。第１二次元材料層１１の上部表面は、外部に露出しておりかつ検出対象のガスを吸着可能な吸着領域を有している。第２二次元材料層１２の上部表面は、後述する第１被覆膜５に覆われている。そのため、第２二次元材料層１２の上部表面は、検出対象のガスを吸着可能な吸着領域を有していない。

【0044】

各二次元材料層１は、第１部分１ａ、第２部分１ｂ、第３部分１ｃを有している。第１部分１ａは、第１電極２ａに接続されている。第２部分１ｂは、第２電極２ｂに接続されている。第３部分１ｃは、第１部分１ａと第２部分１ｂとの間を電気的に接続している。第１部分１ａ、第２部分１ｂ、及び第３部分１ｃの各々の下部表面は、例えば絶縁層３の上部表面に接触している。上述のように、絶縁層３の上部表面に凹部が形成されている場合、第３部分１ｃは当該凹部上に架橋されていてもよい。第３部分１ｃの下部表面は、絶縁層３の上部表面と接触していなくてもよい。二次元材料層１の上部表面には、例えば第１電極２ａ及び第２電極２ｂに起因した凹凸が形成されている。

【0045】

図２に示される第１二次元材料層１１では、その上部表面の全体が、外部に露出しており、検出対象のガスを吸着可能である。第２二次元材料層１２の上部表面の全体が、第１被覆膜５に覆われている。なお、第１二次元材料層１１のうち、少なくとも第３部分１ｃの上部表面が、外部に露出しており、検出対象のガスを吸着可能であればよい。

【0046】

各二次元材料層１の第１部分１ａ、第２部分１ｂ、及び第３部分１ｃの各々の厚みは、例えば互いに等しい。各二次元材料層１の第１部分１ａ、第２部分１ｂ、及び第３部分１ｃの各々の厚みは、互いに異なっていてもよい。

【0047】

第１被覆膜５は、第２二次元材料層１２を覆っている。第１被覆膜５は、検出対象のガスの透過を阻害するように設けられている。具体的には、第１被覆膜５は、検出対象のガスが第２二次元材料層１２に吸着することを阻害するように設けられている。第１被覆膜５は、例えば検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波の透過を阻害しないように設けられている。

【0048】

第１被覆膜５は、例えば、第２二次元材料層１２のみならず、第２検出部１００Ｂの第２組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂをさらに覆っている。第１被覆膜５は、第１二次元材料層１１を覆っていない。

【0049】

第１被覆膜５を構成する材料は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、オルトケイ酸テトラエチル（Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、窒化ボロン（ＢＮ）、シロキサン系のポリマー材料、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、塩化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＣ）、及び二軸伸性ポリプロピレン（ＯＰＰ）からなる群から選択される少なくともいずれかを含む。第１被覆膜５を構成する材料は、絶縁層３を構成する材料と同じであってもよい。第１被覆膜５の内部には細孔が形成されていてもよい。この場合、第１被覆膜５は、緻密で厚い膜であることが好ましい。第１被覆膜５が緻密であるとは、その平均細孔径が検出対象のガスの分子あるいは粒子の外径よりも小さいことを意味する。第１被覆膜５は、互いに異なる材料により構成されている複数の層の積層体として構成されていてもよい。このような第１被覆膜５によれば、単一の材料により構成されておりかつ第１被覆膜５の全体の厚みが同等である第１被覆膜５と比べて、ガスバリア性が向上し得る。異なる観点から言えば、上記第１被覆膜５によれば、単一の材料により構成されておりかつガスバリア性が同等である第１被覆膜５と比べて、薄膜化できる。

【0050】

＜ガス検出器１００の製造方法＞
図３は、実施の形態１に係るガス検出器１００の製造方法を説明するためのフローチャートである。図３を参照しながら、図１および図２に示したガス検出器１００の製造方法を説明する。

【0051】

第１に、半導体層４を準備する工程（Ｓ１）が実施される。この工程（Ｓ１）では、たとえば半導体層４がＳｉ等からなる平坦な基板として準備される。

【0052】

第２に、第３電極２ｃを形成する工程（Ｓ２）が実施される。この工程（Ｓ２）では、半導体層４の第２面４２（図２参照）に第３電極２ｃが形成される。具体的には、まず半導体層４の第１面４１を覆う保護膜が形成される。保護膜は、たとえばレジストである。次に、半導体層４の第２面４２上に第３電極２ｃが形成される。第３電極２ｃを構成する材料は、たとえば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される少なくともいずれかを含む。

【0053】

なお、本工程（Ｓ２）では、第３電極２ｃを形成する前に、半導体層４と第３電極２ｃとの密着性を向上させるための密着層が半導体層４の第２面４２上に形成されてもよい。密着層を構成する材料は、たとえば銅（Ｃｒ）及びチタン（Ｔｉ）の少なくともいずれかを含む。なお、本工程（Ｓ２）は、半導体層４の第１面４１が保護されている限りにおいて、後述する工程（Ｓ３～Ｓ７）よりも後に実施されてもよい。

【0054】

第３に、絶縁層３を形成する工程（Ｓ３）が実施される。この工程（Ｓ３）では、絶縁層３が半導体層４の第１面４１上に形成される。絶縁層３を形成する方法は、特に制限されず、例えば熱酸化法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、及びスパッタ法から任意に選択され得る。半導体層４を構成する材料Ｓｉを含む場合、絶縁層３は、例えば半導体層４の第１面４１を部分的に熱酸化して形成されるＳｉＯ２であってもよい。

【0055】

第４に、第１電極２ａ及び第２電極２ｂを形成する工程（Ｓ４）が実施される。この工程（Ｓ４）では、第１電極２ａ及び第２電極２ｂが絶縁層３上に形成される。

【0056】

第１電極２ａ及び第２電極２ｂの形成方法は特に制限されないが、例えば以下のようなリフトオフ法が採用され得る。第１に、写真製版またはＥＢ描画などを用いて、絶縁層３の上面上に、レジストマスクが形成される。レジストマスクには、第１電極２ａ及び第２電極２ｂが形成されるべき領域に開口部が形成されている。第２に、蒸着法やスパッタリング法などを用いて、レジストマスクの上面上に、第１電極２ａ及び第２電極２ｂとなるべき導電性膜が形成される。導電性膜は、レジストマスクの開口部の内部から当該レジストマスクの上面にまで延在するように形成される。第３に、レジストマスクが、当該レジストマスクの上面上に配置されていた導電性膜の一部と共に除去される。これにより、レジストマスクの開口部内に配置されていた導電性膜の他の一部が絶縁層３の表面上に残存し、第１電極２ａ又は第２電極２ｂとなる。なお、第１電極２ａ及び第２電極２ｂを形成する前に、半導体層４と第１電極２ａ又は第２電極２ｂとの密着性を向上させるための密着層が半導体層４の第１面４１上に形成されてもよい。また、第１電極２ａ及び第２電極２ｂは、第１電極２ａ及び第２電極２ｂとなるべき導電性膜上に形成されたマスクを用いるエッチング法により形成されてもよい。

【0057】

第５に、二次元材料層１を形成する工程（Ｓ５）が実施される。本工程（Ｓ５）では、例えば、二次元材料層が第１電極２ａ、第２電極２ｂ、及び絶縁層３を覆うように成膜された後、当該二次元材料層がパターニングされる。これにより、図１および図２に示される二次元材料層１が形成される。

【0058】

二次元材料層１を形成する方法は、特に制限されない。二次元材料層１は、例えば、エピタキシャル成長法又はスクリーン印刷法により、第１電極２ａ、絶縁層３および半導体層４の一部上に形成されてもよい。また、二次元材料層１は、半導体層４とは異なる基板上にＣＶＤ法等により形成されたフィルム状の二次元材料層又は機械剥離等により黒鉛等から剥離されたフィルム状の二次元材料層を、第１電極２ａ、絶縁層３及び半導体層４の一部上に転写して貼り付けることにより、形成されてもよい。二次元材料層１をパターニングする方法は特に制限されないが、写真製版またはＥＢ描画などが採用され得る。マスクを用いてパターニングされる場合、当該マスクは二次元材料層１を形成後に除去される。

【0059】

次に、第１被覆膜５を形成する工程（Ｓ６）が実施される。本工程（Ｓ６）では、第１被覆膜５が第２二次元材料層１２の上部表面上に形成される。第１被覆膜５を形成する方法は、特に制限されない。第１被覆膜５は、例えば以下のようなエッチング法により形成される。第１に、スパッタ、蒸着、及びＭＯＤコート法（ＭＯＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）の少なくともいずれかにより、被覆膜が形成される。第２に、写真製版により、被覆膜の上面上に、第１被覆膜５が形成されるべき領域を覆うマスクが形成される。第３に、被覆膜のうちマスクから露出している部分が、例えばドライエッチング法により除去される。ドライエッチングの一例として、酸素プラズマもしくは四フッ化メタン（ＣＦ_４）プラズマを用いた反応性イオンエッチングが挙げられる。第４に、マスクが除去される。これにより、図１及び図２に示される被覆膜５が形成される。

【0060】

図１および図２に示されるガス検出器１００は、以上の工程（Ｓ１～Ｓ６）により製造され得る。なお、上述した製造方法では二次元材料層１が第１電極２ａ及び第２電極２ｂ上に形成されるが、第１電極２ａ及び第２電極２ｂが二次元材料層１上に形成されてもよい。ただし、第１電極２ａ及び第２電極２ｂが二次元材料層１上に形成される場合は、第１電極２ａ及び第２電極２ｂを形成するときに、二次元材料層１にプロセスダメージを与えないように注意が必要である。たとえば、二次元材料層１において第１電極２ａ又は第２電極２ｂが重ねて形成される領域以外を保護するための保護膜を形成した後、第１電極２ａ及び第２電極２ｂを形成する、といった対応が考えられる。

【0061】

＜動作原理＞
次に、ガス検出器１００の動作原理について説明する。ガス検出器１００は、各二次元材料層１の第３部分１ｃをトランジスタチャネル、各第１電極２ａ及び各二次元材料層１の第１部分１ａをソース、各第２電極２ｂ及び各二次元材料層１の第２部分１ｂをドレイン、第３電極２ｃをゲート、とした２対１式の電界効果トランジスタとして機能する。以下では、各二次元材料層１を流れる電流Ｉｓｄ１，Ｉｓｄ２をソース－ドレイン電流、第３電極２ｃに印加される電圧Ｖｇをゲート電圧、とも記載する。

【0062】

ガス検出器１００は、電圧Ｖｇ、電圧Ｖｄｓ１、及び電圧Ｖｄｓ２の各々が印加されている状態において、各二次元材料層１を流れるソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１，Ｉｓｄ２の変化を検出可能である。

【0063】

なお、ガス検出器１００は、電圧Ｖｇを印加しており、かつ一定のソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１，Ｉｓｄ２を流している状態において、電圧Ｖｄｓ１及び電圧Ｖｄｓ２の各々の変化を検出することも可能である。

【0064】

また、ガス検出器１００は、電圧Ｖｇ、電圧Ｖｄｓ１、及び電圧Ｖｄｓ２の各々が印加されている状態において、二次元材料層１の第３部分１ｃにおけるソース・ドレイン電流値の周波数変化を検出することも可能である。二次元材料層１の第３部分１ｃの電気的な共振周波数は、二次元材料層１の第３部分１ｃの総質量に依存する。二次元材料層１の第３部分１ｃの質量は、検出対象のガスが二次元材料層１の第３部分１ｃに吸着すると、増加する。したがって、ガス検出器１００では、直流電圧印加時の第３部分１ｃの共振周波数の変化量を二次元材料層１に照射された電磁波の照射量に換算することによっても、検出対象のガスの濃度を検出できる。

【0065】

上述のように、ガス検出器１００は、電磁波検出方式によるガス検出と、ガス吸着方式によるガス検出とを、同時に行うことができる。

【0066】

まず、ガス検出器１００における、電磁波検出方式によるガス検出の動作原理について、図４を参照して説明する。

【0067】

図４は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波がガス検出器１００の各二次元材料層１に入射したときに各二次元材料層１にて生じる電気特性変化の模式図を示す。図４において、実線のグラフは、検出対象のガスがガス検出器１００の周囲に存在する場合に検出される、ゲート電圧Ｖｇと各二次元材料層１を流れるソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１，Ｉｓｄ２との関係を示している。破線のグラフは、検出対象のガスがガス検出器１００の周囲に存在しない場合に検出される、ゲート電圧Ｖｇと各二次元材料層１を流れるソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１，Ｉｓｄ２との関係を示している。さらに図４には、検出対象のガスの有無による、ゲート電圧Ｖｇの変化量Ｖｐｈと各ソース・ドレイン電流の変化量Ｉｐｈとが表されている。

【0068】

第３電極２ｃを介して半導体層４に電圧Ｖｇが印加されると、半導体層４と絶縁層３との界面に空乏層が形成される。電圧Ｖｇの正負は半導体層４のドーピング型に応じて選択すればよく、ｐ型であれば正電圧、ｎ型であれば負電圧を印加する。

【0069】

各二次元材料層１及び半導体層４は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波に感度を有している。そのため、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が各二次元材料層１及び半導体層４に入射すると、各二次元材料層１及び半導体層４内において光電変換が行われて、各二次元材料層１及び空乏層に光キャリアが生じる。各二次元材料層１において生じた光キャリアにより、ソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１，Ｉｓｄ２が変化する。

【0070】

さらに空乏層において生じた光キャリアは、絶縁層３を介して各二次元材料層１の第３部分１ｃに電界効果の変化を与える。この結果、各二次元材料層１の第３部分１ｃに対して印加されるゲート電圧Ｖｇが変化する。このゲート電圧Ｖｇの変化量Ｖｐｈに応じて、各二次元材料層１の第３部分１ｃを流れる電流が変化し、ソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１，Ｉｓｄ２が変化する。さらに、ガス検出器１００によれば、検出対象のガスが上記光路上に存在していない状態において上記電磁波が各二次元材料層１及び半導体層４に入射したときに検出されるソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１，Ｉｓｄ２に対する変化量Ｉｐｈも、検出され得る。この電流変化Ｉｐｈを検出することによって、ガス検出器１００に入射する電磁波が検出対象のガスに吸収されることに起因した当該電磁波の光量変化を検出できる。この光量変化を検出することにより、電磁波の光路上での検出対象のガスの存否の検出及び検出対象のガスの濃度の測定、並びに電磁波の光路上に存在するガス種の識別等が可能である。以下では、二次元材料層１に接する材料の電気特性変化によって二次元材料層１に電界効果が与えられ、二次元材料層１の電気特性が変化することを光ゲート効果と呼ぶ。

【0071】

次に、ガス検出器１００における、ガス吸着方式によるガス検出の動作原理について、図５を参照して説明する。

【0072】

図５は、検出対象のガスが二次元材料層１に吸着することによって二次元材料層１に生じる電気特性変化の模式図を示す。図５において、実線のグラフは、検出対象のガスがガス検出器１００の周囲に存在する場合に検出される、ゲート電圧Ｖｇと第１二次元材料層１１を流れるソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１との関係を示している。破線のグラフは、検出対象のガスがガス検出器１００の周囲に存在しない場合に検出される、ゲート電圧Ｖｇと第１二次元材料層１１を流れるソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１との関係を示している。なお、破線のグラフは、検出対象のガスがガス検出器１００の周囲に存在する場合に検出される、ゲート電圧Ｖｇと第２二次元材料層１２を流れるソース－ドレイン電流Ｉｓｄ２との関係と等しい。さらに図５には、検出対象のガスの有無による、ゲート電圧Ｖｇの変化量Ｖｐｈとソース・ドレイン電流Ｉｓｄ１の変化量Ｉｐｈとが表されている。

【0073】

検出対象のガスが第１二次元材料層１１の第３部分１ｃに物理吸着すると、ガスと第１二次元材料層１１との間で電荷移動が生じる。この結果、第１二次元材料層１１の第３部分１ｃに対してゲート電圧Ｖａｄが印可された状態となり、第１二次元材料層１１を流れるソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１が変化する。この電流の変化量Ｉａｄは、第１二次元材料層１１へのガスの吸着量と相関する。第１二次元材料層１１へのガスの吸着量は、第１二次元材料層１１の周囲のガス濃度と相関する。そのため、ガス検出器１００によれば、二次元材料層１の周囲に存在するガスの定量分析が可能である。以下では、二次元材料層１に吸着したガスによって二次元材料層１に電界効果が与えられ、二次元材料層１の電気特性が変化することをガス吸着ゲート効果と呼ぶ。

【0074】

＜ガス検出器１００の効果＞
ガス検出器１００は、電磁波検出方式によるガス検出と、ガス吸着方式によるガス検出とを同時に行うことができる。そのため、ガス検出器１００によれば、上述したガス吸着方式によるガス検出のみを行うための従来のＦＥＴでは困難であった、混合ガス中において特定のガス種を検出すること、あるいはガス種を識別することができる。さらに、ガス検出器１００による電磁波検出方式によるガス検出は、上述のように、光ゲート効果を利用して行われ得る。そのため、ガス検出器１００のガス検出感度は、電磁波検出方式によるガス検出のみを行う一般的なガス検出器のそれと比べて、極めて高い。

【0075】

さらに、上述したガス吸着方式によるガス検出のみを行うための従来のＦＥＴでは、グラフェンの表面から離れた位置のガスを検出することは困難である。これに対し、ガス検出器１００によれば、電磁波検出方式によるガス検出が可能であるから、上述のように電磁波の光路上であれば、二次元材料層１の上部表面から離れた位置での検出対象のガスの存否等を検出可能である。

【0076】

また、電磁波検出方式によるガス検出のみを行う一般的なガス検出器は、特定の波長域の電磁波を密閉空間（ガスセル等）に通し、当該電磁波の減衰を単素子で測定する。そのため、当該ガス検出器では、ガス濃度の空間分布を測定（マッピング）することは困難であり、特に単素子から離れた位置のガス濃度分布を測定することは不可能である。これに対し、ガス検出器１００は、被覆膜５によって覆われておらず外部に露出する露出面を有する第１二次元材料層１１を有する第１検出部１００Ａと、被覆膜５によって覆われており外部に露出する露出面を有さない第２二次元材料層１２を有する第２検出部１００Ｂとを備える。第１検出部１００Ａは、電磁波検出方式によるガス検出とガス吸着方式によるガス検出とを同時に行うことができる。第２検出部１００Ｂは、ガス吸着方式によるガス検出のみを行うことができる。そのため、両検出部による検出結果の差分に基づいて、検出対象のガスとの空間分布の検出すること、より具体的には、検出対象のガスが二次元材料層１に吸着され得る領域内に存在するのか否かを判定することができる。

【0077】

また、二次元材料層１では、二次元材料層以外の他の材料と比較して、表面対体積比率が極めて高く、上部表面に露出している全ての構成がガスの吸着に寄与できる。そのため、ガス検出器１００において上記ガス吸着ゲート効果を利用して行われるガス検出の感度は、二次元材料層以外の他の材料を吸着材として行われるガス検出と比べて、極めて高い。

【0078】

＜変形例＞
本開示に係るガス検出器は、半導体層４を備えていなくてもよい。この場合にも、上記ガス吸着ゲート効果は生じ得る。さらに、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が入射されたときには、二次元材料層１において光キャリアが生じ、ソース－ドレイン電流Ｉｓｄ１，Ｉｓｄ２が変化する。そのため、半導体層４を備えないガス検出器１００も、電磁波検出方式によるガス検出と、ガス吸着方式によるガス検出とを同時に行うことができる。

【0079】

本開示に係るガス検出器は、第２検出部１００Ｂを備えていなくてもよい。このようなガス検出器も、電磁波検出方式によるガス検出とガス吸着方式によるガス検出とを同時に行うことができるため、ガス検出器１００と同様に、混合ガス中において特定のガス種を検出すること、ガス種を識別すること、及び二次元材料層１の上部表面から離れた位置での検出対象のガスの存否等を検出することができる。
この場合、好ましくは、ガス検出器１００は、複数の第１検出部１００Ａを備えている。複数の第１検出部１００Ａの一部は、検出対象のガスとは異なる特定の比較ガスで充填された比較容器を透過した、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が入射する
二次元材料層の表面は、特定のガスとの結合・捕捉を可能とするよう修飾処理されていてもよい。たとえば、二次元材料層の表面に、検出対象のガスを抗原とする抗体が結合されていてもよい。このようにすれば、特異的に検出可能なガス検出器を実現できる。二次元材料層の表面に結合されている抗体は、検出対象のガスと結合する一次抗体と、蛍光物質又は酵素により標識されており一次抗体と結合する二次抗体とを含んでいてもよい。この場合、ガス検出器は、検出対象を抗原とする一次抗体を検出し、かつ、二次元材料層表面の蛍光物資及び酵素の分布を調べることで、本発明の動作原理で述べるガス分子検出にくわえて染色による検出を並行実施可能となり、ガス分子種の検出精度や空間濃度分布を測定できる。

【0080】

二次元材料層の表面に結合されている抗体は、二次元材料層表面上に検出対象のガス分子種と共有結合可能なシリル基、カルボキシル基、アミン基などの反応性官能基を有していてもよい。このようにすれば、特定種のガス分子をターゲット分子として特異性高いガス検出が可能となる。

【0081】

二次元材料層の表面には、検出対象のガス分子に特異的なペプチドがコーティングされていてもよい。このようにすれば、二次元材料層１の表面と検出対象のガスとの結合が促進され、検出対象のガスの検出精度を高めつつ、検出対象外のガスによる検出精度の悪化を抑制できる。

【0082】

二次元材料層の表面には、ヒドロゲルが修飾されていてもよい。このようにすれば、二次元材料層と検出対象のガス分子間の相互作用を促進し、検出精度を高められる。

【0083】

ガス検出器１００は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波を複数の二次元材料層１の各々に照射する光源をさらに備えていてもよい。

【0084】

ガス検出器１００は、図１及び図２に示される複数の検出部に入射する電磁波の光路上に配置されており、かつ検出対象のガスを封入することができる容器をさらに備えていてもよい。このようにすれば、検出対象外のガスの誤検出に伴う信号品質の悪化を抑制することができる。

【0085】

ガス検出器１００は、ガス成分を分離可能なカラムをさらに備え、カラムにより分離されたガス成分が複数の検出部の各々の周囲に供給されるように設けられていてもよい。カラムは、検出対象のガスに含まれる複数種のガス成分を分離可能であってもよい。このようなガス検出器１００は、カラムにより分離された複数種のガス成分を逐次検出できる。

【0086】

ガス検出器１００は、検出対象のガスを発生させて、これを複数の検出部の各々の周囲に供給するためのガス発生装置をさらに備えていてもよい。上述のように、ガス発生装置は、エアロゾルを発生させるための加熱装置であってもよい。このようなガス検出器１００は、エアロゾルの形態で気体中に浮遊している微粒子を検出することができる。

【0087】

ガス検出器１００は、複数の検出部の各々に入射する電磁波の波長域を制御する光学フィルタをさらに備えていてもよい。光学フィルタは、例えば上記容器に取り付けられていてもよい。このようなガス検出器１００では、上記動作原理において照射検出する電磁波の波長を制御すれば、複数種類の電磁波ひいては複数種類のガス分子を検出可能となる。

【0088】

ガス検出器１００は、第３検出部をさらに備えていてもよい。ガス検出器１００は、第３組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂと、第３二次元材料層と、第３二次元材料層を覆う第２被覆膜とをさらに有していてもよい。第３組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂは、第１組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂ、並びに第２組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂの各々と間隔を空けて配置されている。第３二次元材料層は、第１二次元材料層１１及び第２二次元材料層１２の各々と間隔を空けて配置されておりかつ第３組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂの間を電気的に接続している。第２被覆膜は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波の透過を阻害するように設けられている。

【0089】

実施の形態２．
実施の形態２に係るガス検出器は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、動作原理、および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

【0090】

＜ガス検出器１０１の構成＞
図６に示されるように、実施の形態２に係るガス検出器１０１は、二次元材料層１の少なくとも一部と接触している強誘電体層６を備える。

【0091】

強誘電体層６は、例えば二次元材料層１の第３部分１ｃと絶縁層３との間に配置されている。なお、強誘電体層６は、例えば二次元材料層１の第３部分１ｃの上部表面上に配置されていてもよい。また、強誘電体層６は、二次元材料層１と接触しておらず、絶縁層３を介して二次元材料層１と接続されていてもよい。

【0092】

強誘電体層６を構成する材料は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が強誘電体層に入射した際に分極が生じる任意の材料であればよい。強誘電体層６を構成する材料は、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳＢＴ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）および有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系強誘電体（ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ－ＣＴＦＥ）等）の少なくともいずれかを含む。また、強誘電体層は、異なる複数の強誘電体材料が積層または混合されることで構成されていてもよい。

【0093】

強誘電体層６を構成する材料は、例えば、半導体層４が感度を有する波長域とは異なる波長域の電磁波が強誘電体層６に入射した際に分極が生じる材料であってもよい。このような構成を備えるガス検出器１０１は、複数種のガスを検出対象とする場合に好適である。

【0094】

強誘電体層６の材料は、焦電効果を奏する焦電体であれば、上記の材料に限られない。具体的には、強誘電体層の材料は、強誘電体層の内部の熱エネルギの変化に対して分極変化が生じる強誘電体であればよい。なお、焦電効果において電磁波は単に熱源として作用する。このため、焦電効果には、基本的に波長依存性はない。よって、強誘電体層には、基本的に波長依存性はない。したがって、強誘電体層は、広帯域の電磁波に感度を有する。

【0095】

ガス検出器１０１は、例えば、第１二次元材料層１１に接触している第１強誘電体層６１と、第２二次元材料層１２に接触している第２強誘電体層６２とを備える。第２強誘電体層６２は、例えば第１強誘電体層６１と同等の構成を有している。

【0096】

＜動作原理＞
ガス検出器１０１では、強誘電体層６に電磁波が照射されると、強誘電体層６の焦電効果により強誘電体層６の内部に誘電分極の変化が生じる。焦電効果により強誘電体層６において生じる分極の変化は、二次元材料層１の第３部分１ｃに電界変化を与える。この結果、二次元材料層１の第３部分１ｃに対して印加されているゲート電圧が変化し、ソース・ドレイン電流値が変化する。つまり、ガス検出器１０１では、強誘電体層６の焦電効果に起因して二次元材料層１に電界効果が与えられ、二次元材料層１の電気特性が変化する。したがって、ガス検出器１０１では、電磁波検出方式によるガス検出に関し、半導体層４による上記光ゲート効果と、強誘電体層６による光ゲート効果とを利用できる。

【0097】

＜効果＞
ガス検出器１０１によれば、半導体層４による上記光ゲート効果と、強誘電体層６による光ゲート効果とを利用できるため、ガス検出器１００との対比においてさらなる高感度化が実現され得る。

【0098】

上述のように、強誘電体層６を構成する材料が、半導体層４が感度を有する波長域とは異なる波長域の電磁波が強誘電体層６に入射した際に分極が生じる材料であってもよい。この場合、複数の電磁波波長域において上記光ゲート効果を利用した高感度なガス検出が可能となる。

【0099】

＜変形例＞
ガス検出器１０１も、ガス検出器１００と同様に変形され得る。

【0100】

実施の形態３．
実施の形態３に係るガス検出器は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、動作原理、および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

【0101】

＜ガス検出器１０２の構成＞
図７に示されるように、実施の形態２に係るガス検出器１０１は、二次元材料層１の少なくとも一部と接触している接触層７を備える。

【0102】

図７に示されるガス検出器では、二次元材料層１下に接触層７が設けられている。接触層７は、二次元材料層１と接触することで、二次元材料層１に正孔又は電子を供給することが可能な材料により構成されている。接触層７により二次元材料層１に任意に正孔又は電子をドーピングすることができる。

【0103】

接触層７としては、例えば、ポジ型フォトレジストと呼ばれる、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物を用いることができる。また、接触層７を構成する材料としては、例えば、極性基を有する材料を用いることができる。例えば、当該材料の一例である電子求引基を有する材料は、二次元材料層１の電子密度を減少させる効果を持つ。また、当該材料の一例である電子供与基を有する材料は、二次元材料層１の電子密度を増加させる効果を持つ。電子求引基を有する材料としては、例えば、ハロゲン、ニトリル、カルボキシル基、又は、カルボニル基等を有する材料が挙げられる。また、電子供与基を有する材料としては、例えば、アルキル基、アルコール、アミノ基、又は、ヒドロキシル基等を有する材料が挙げられる。また、上記以外にも極性基によって分子全体において電荷の偏りが生じる材料も、接触層７の材料として用いることができる。

【0104】

また、有機物、金属、半導体、絶縁体、２次元材料、又は、これら材料のいずれかの混合物においても、分子内で電荷の偏りが生じて極性を生じる材料であれば、接触層７の材料として用いることができる。ここで、無機物からなる接触層７と二次元材料層１とを接触させた場合、二次元材料層１がドーピングされる導電型は、二次元材料層１の仕事関数よりも接触層７の仕事関数が大きい場合はｐ型、小さい場合はｎ型である。それに対して、接触層７が有機物の場合、当該接触層７を構成する材料である有機物が明確な仕事関数を有していない。そのため、二次元材料層１に対してｎ型ドープになるのか、ｐ型ドープになるのかは、接触層７に用いる有機物の分子の極性によって、接触層７の材料の極性基を判断することが好ましい。

【0105】

例えば、接触層７として、ポジ型フォトレジストと呼ばれる、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物を用いる場合、二次元材料層１においてフォトリソグラフィ工程によりレジストを形成した領域がｐ型二次元材料層領域となる。これにより、二次元材料層１の表面上に接触するマスク形成処理が不要となる。この結果、二次元材料層１に対するプロセスダメージの低減及びプロセスの簡素化が可能となる。

【0106】

ガス検出器１０２は、例えば、第１二次元材料層１１に接触している第１接触層７１と、第２二次元材料層１２に接触している第２接触層７２とを備える。第２接触層７２は、例えば第１接触層７１と同等の構成を有している。

【0107】

ガス検出器１０２の製造方法は、例えば、二次元材料層１を形成する工程の前に、接触層７を形成する工程をさらに備えていればよい。

【0108】

＜効果＞
ガス検出器１０２は、二次元材料層１に正孔又は電子を供給可能な接触層７を備える。そのため、ガス検出器１０２では、二次元材料層１の導電型を、意図的にｎ型又はｐ型とすることができる。そのため、二次元材料層１と電極２および絶縁層３との接触に伴うキャリアドーピングの影響を考慮せず、二次元材料層１のキャリアドーピングを制御できる。この結果、ガス検出器１０２の性能を向上できる。

【0109】

また、接触層７を、二次元材料層１の上部表面における第１電極２ａ側または半導体層４側のどちらか一方にのみ形成することで、二次元材料層１中に電荷密度の勾配が形成される。この結果、二次元材料層１中のキャリアの移動度が向上し、ガス検出器１０２を高感度化できる。

【0110】

また、二次元材料層１上に複数の接触層７を形成してもよい。接触層７の数は３以上であってもよく、任意の数とすることができる。複数の接触層７を第１電極２ａと半導体層４との間に位置する二次元材料層１上に形成してもよい。その場合、複数の接触層７の材料は、同じ材料でも異なる材料でもよい。

【0111】

また、本実施の形態に係るガス検出器において、接触層７の膜厚は、電磁波が二次元材料層１に照射された場合に、光電変換を行うことができるよう十分薄い方が好ましい。一方、接触層７から二次元材料層１にキャリアがドーピングされる程度の厚さを有するように接触層７を形成することが好ましい。接触層７は、分子又は電子などのキャリアが二次元材料層１に導入されれば任意の構成としても良い。たとえば、二次元材料層１を溶液に浸漬させて、分子レベルで二次元材料層１にキャリアを供給することで、固体の接触層７を二次元材料層１上に形成しないで、二次元材料層１にキャリアをドーピングしてもよい。

【0112】

また、接触層７の材料として、上述した材料以外にも、極性変換を生じる材料を用いてもよい。その場合、接触層７が極性変換すると、変換の際に生じた電子又は正孔が、二次元材料層１に供給される。そのため、接触層７が接触している二次元材料層１の部分に電子又は正孔のドーピングが生じる。そのため、接触層７を取り除いても、接触層７と接触していた二次元材料層１の当該部分は、電子又は正孔がドーピングされたままの状態となる。したがって、接触層７として、極性変換を生じる材料を用いた場合、一定の時間が経過した後に接触層７を二次元材料層１上から取り除いてもよい。この場合、接触層７が存在している場合より二次元材料層１の開口部面積が増加する。このため、ガス検出器の検出感度を向上できる。ここで、極性変換とは、極性基が化学的に変換する現象であり、例えば、電子求引基が電子供与基に変化する、または電子供与基が電子求引基に変化する、または極性基が非極性基に変化する、または非極性基が極性基に変化する、といった現象を意味する。

【0113】

また、接触層７が電磁波照射によって極性変換を生じる材料により形成されてもよい。この場合、特定の電磁波の波長において極性変換を生じる材料を接触層７の材料として選択することで、特定の電磁波の波長の電磁波照射時のみ接触層７で極性変換を生じさせ、二次元材料層１へのドーピングを行うことができる。この結果、二次元材料層１に流入する光電流を増大できる。

【0114】

また、電磁波照射によって酸化還元反応を生じる材料を接触層７の材料として用いてもよい。この場合、酸化還元反応時に生じる電子又は正孔を二次元材料層１にドーピングできる。

【0115】

＜変形例＞
ガス検出器１０２も、ガス検出器１００と同様に変形され得る。また、本実施の形態であるガス検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。

【0116】

実施の形態４．
実施の形態４に係るガス検出器は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、動作原理、および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

【0117】

＜ガス検出器１０４の構成＞
図８に示されるように、実施の形態４に係るガス検出器１０３は、二次元材料層１の少なくとも一部と接触している少なくとも１つの導電体８を備える。図８に示されるガス検出器１０３では、二次元材料層１の第３部分１ｃの上部表面上に、複数の導電体８が配置されている。複数の導電体８は互いに間隔を隔てて配置されている。各導電体８はフローティング電極である。

【0118】

導電体８を構成する材料は導電体であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、導電体８の材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、又は、パラジウム（Ｐｄ）等の金属材料を用いることができる。ここで、導電体８は、電源回路等に接続されておらず、フローティングとなっている。

【0119】

複数の導電体８は、一次元、又は、二次元の周期構造を有する。たとえば、一次元の周期構造の例として、図８の紙面上の水平方向又は紙面の奥行き方向に複数の導電体８が互いに間隔を隔てて（周期的に）配列された構造を採用し得る。また、二次元の周期構造の例として、ガス検出器の平面視において、正方格子又は三角格子等の格子点に対応する位置に導電体８が配列された構造を採用し得る。また、ガス検出器の平面視において、各導電体８の平面形状は、円形状、三角形状、四角形状、多角形状、又は、楕円形状等の任意の形状であってもよい。また、導電体８の平面視における配置は、上述した周期的な対称性を有する配列だけに限られず、平面視において非対称性を有する配列であってもよい。ここで、導電体８を形成する具体的な方法は、任意の方法を採用し得るが、例えば、実施の形態１で説明した第１電極２ａ及び第２電極２ｂの製造方法と同様の方法を用いてもよい。

【0120】

ガス検出器１０３の製造方法は、例えば、二次元材料層１を形成する工程の後であって被覆膜５を形成する工程の前に、導電体８を形成する工程をさらに備えていればよい。

【0121】

＜ガス検出器１０３の効果＞
ガス検出器１０３は、二次元材料層１の上にフローティング電極である導電体８を備える。そのため、電磁波の照射により二次元材料層１において発生した表面キャリアが、複数の導電体８の間を行き来できるようになり、その結果光キャリアの寿命が長くなる。これにより、ガス検出器１０３の検出感度が向上する。

【0122】

また、複数の導電体８を一次元の周期的な構造を構成する配置し、導電体８の材料を表面プラズモン共鳴が生じる材料とすることにより、照射される電磁波によって導電体８に偏光依存性が生じる。この結果、特定の偏光の電磁波だけをガス検出器１０３の半導体層４に照射させることができる。この場合、本実施の形態に係るガス検出器１０３は、特定の偏光のみを検出することができる。

【0123】

また、複数の導電体８を二次元の周期的な構造を構成するように配置し、導電体８の材料を表面プラズモン共鳴が生じる材料とすることにより、複数の導電体８によって特定の波長の電磁波を共鳴させることができる。この場合、特定の波長を有する電磁波だけをガス検出器１０３で検出することができる。この場合、本実施の形態に係るガス検出器１０３は、特定の波長の電磁波のみを高感度に検出することができる。

【0124】

また、複数の導電体８を平面視において非対称な配置となるように形成した場合、複数の導電体８を一次元の周期的な構造する場合と同様、照射される電磁波に対して導電体８に偏光依存性が生じる。この結果、特定の偏光の電磁波だけを半導体層４に照射させることができる。この場合、本実施の形態に係るガス検出器１０３は、特定の偏光のみを検出することで検出信号のＳＮ比を改善でき、またコントラストを改善できる。

【0125】

また、ガス検出器１０３では、二次元材料層１の下に導電体８が配置されていてもよい。このような構成によっても、図８に示したガス検出器１０３と同様の効果を得ることができる。さらに、この場合、導電体８の形成時に二次元材料層１にダメージを与えないため、二次元材料層１でのキャリアの移動度の低下を抑制できる。

【0126】

また、二次元材料層１に凹凸部を形成してもよい。この場合、二次元材料層１の凹凸部は、上述した複数の導電体８と同様、周期的な構造又は非対称な構造としてもよい。この場合、複数の導電体８を形成した場合と同様の効果を得ることができる。

【0127】

＜変形例＞
ガス検出器１０３も、ガス検出器１００と同様に変形され得る。また、本実施の形態であるガス検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。

【0128】

実施の形態５．
実施の形態５に係るガス検出器は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、動作原理、および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

【0129】

＜ガス検出器１０４の構成＞
図９に示されるように、実施の形態４に係るガス検出器１０４では、第１二次元材料層１１及び第２二次元材料層１２の各々の第３部分１ｃが、第１部分１ａと第２部分１ｂとの間に架橋されている。絶縁層３には、絶縁層３の上部表面に対して凹んでいる複数の凹部３０が形成されている。各凹部３０は、例えば半導体層４の第１面４１を露出する開口部（貫通孔）として形成されている。この場合、第３部分１ｃの下部表面は、半導体層４の第１面４１と間隔を空けて対向配置されている。

【0130】

各二次元材料層１の第３部分１ｃは、例えば、絶縁層３の上部表面と接触している１対の接触部分１ｄと、１対の接触部分１ｄ間に架橋されている架橋部分１ｅとを有している。架橋部分１ｅは、絶縁層３及び半導体層４と接触していない。

【0131】

なお、絶縁層３の凹部３０は、第３部分１ｃが自重により撓んだ場合にも、第３部分１ｃの下部表面が絶縁層３又は半導体層４と接触しないように設けられていればよい。絶縁層３の凹部３０が開口部として形成されている場合、半導体層４に、第１面４１に対して凹んでおり、絶縁層３の凹部３０と上下方向に連なっている図示しない第２凹部が形成されていてもよい。

【0132】

ガス検出器１０４の製造方法は、二次元材料層１を形成する工程の前に、絶縁層３に凹部３０を形成する工程をさらに備えていればよい。

【0133】

＜ガス検出器１０４の効果＞
ガス検出器１０４では、トランジスタチャネルとして作用する二次元材料層１の第３部分１ｃが他の材料と接触していない部分を有しているため、ガス検出器１００等と比べて電子・正孔の移動度が高まる。その結果、ガス検出器１０４の検出感度が向上する。

【0134】

＜変形例＞
ガス検出器１０４も、ガス検出器１００と同様に変形され得る。また、本実施の形態であるガス検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。

【0135】

実施の形態６．
実施の形態６に係るガス検出器は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、動作原理、および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

【0136】

＜ガス検出器１０５の構成＞
図１０及び図１１に示されるように、実施の形態６に係るガス検出器１０５では、絶縁層３に半導体層４の第１面の一部を露出する少なくとも１つの開口部３１が形成されている。図１０に示されるガス検出器１０５では、第１開口部３１Ａと第２開口部３１Ｂとが互いに間隔を空けて形成されている。ガス検出器１０５は、例えば互いに間隔を空けて配置されている第１の第１電極２ａ１及び第２の第１電極２ａ２を有している。

【0137】

ガス検出器１０５は、第１二次元材料層１１及び第２二次元材料層１２に代えて、第４二次元材料層１３及び第５二次元材料層１４を備えている。第４二次元材料層１３は、第１開口部３１Ａ内から絶縁層３上にまで延在しておりかつ第１の第１電極２ａ１と半導体層４との間を電気的に接続している。第４二次元材料層１３は、外部に露出している露出面を有している。第５二次元材料層１４は、第２開口部３１Ｂ内から絶縁層３上にまで延在しておりかつ第２の第１電極２ａ２と半導体層４との間を電気的に接続している。第５二次元材料層１４は、被覆膜５（第３被覆膜）によって覆われている。

【0138】

第４二次元材料層１３及び第５二次元材料層１４の各々は、第１部分１ａと、第２部分１ｂと、第３部分１ｃとを有している。

【0139】

第４二次元材料層１３及び第５二次元材料層１４の各々の第２部分１ｂは、半導体層４において開口部３１内に露出している第１面４１の上記一部と接触している。好ましくは、二次元材料層１の第２部分１ｂは、半導体層４とショットキー接合している。例えば、半導体層４がｐ型材料シリコンで構成されており、二次元材料層１がｎ型材料グラフェンで構成されている。

【0140】

第２電極２ｂは、半導体層４の第２面４２上に配置されており、半導体層４を介して二次元材料層１と電気的に接続されている。

【0141】

ガス検出器１０５では、ガス検出器１００と同様に、各二次元材料層１の第３部分１ｃがトランジスタチャネル、各第１電極２ａ及び各二次元材料層１の第１部分１ａがソース、各第２電極２ｂ及び各二次元材料層１の第２部分１ｂがドレインとして作用する。さらにガス検出器１０５では、二次元材料層１の第２部分１ｂと半導体層４との接触領域がショットキーバリアダイオードとして機能する。

【0142】

図１１に示されるように、第１の第１電極２ａ１と第２電極２ｂとの間、及び第２の第１電極２ａ２と第２電極２ｂとの間には、電圧Ｖｄを印加するための電源回路が電気的に接続される。好ましくは、電圧Ｖｄは、二次元材料層１と半導体層４とのショットキー接合に対して逆バイアスとなるように設定される。電圧Ｖｄが印加されることにより、各二次元材料層１には電流Ｉｄ１，Ｉｄ２が流れる。電流Ｉｄ１，Ｉｄ２は、電源回路に含まれる図示しない電流計により測定される。

【0143】

ガス検出器１０５においても、上述した光ゲート効果及びガス吸着ゲート効果が生じ得る。

【0144】

さらにガス検出器１０５において、二次元材料層１と半導体層４とがショットキー接合している場合、電圧Ｖを調整し、上記ショットキー接合に対して逆バイアスを印加することで、電磁波が入射していない状態での電流Ｉｄ１，Ｉｄ２をゼロにすることができる。また、電磁波が半導体層４に入射したときに生じる光起電力によって、二次元材料層１のフェルミレベルが変調されて、二次元材料層１と半導体層４のエネルギ障壁が低下する。その結果、電磁波が照射された時にのみ、電流が半導体層４を流れ、電流Ｉｄ１，Ｉｄ２が検出される。すなわち、本実施の形態に係るガス検出器ではＯＦＦ動作が可能になる。

【0145】

本実施の形態に係るガス検出器１０５も、二次元材料層１での電流の変化を検出する構成に限定されるわけではない。ガス検出器１０５は、例えば、各第１電極２ａと第２電極２ｂとの間に一定電流を流している状態において、電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２の各々の変化を検出することも可能である。

【0146】

また、ガス検出器１０５においても、二次元材料層１の第３部分１ｃにおけるソース・ドレイン電流値の周波数変化を検出することも可能である。

【0147】

＜ガス検出器１０５の効果＞
ガス検出器１０５によれば、ＯＦＦ動作が可能であるため、消費電力の低減及び信号ＳＮ比の改善が期待される。

【0148】

＜ガス検出器１０５の変形例＞
図１２及び図１３は、ガス検出器１０５の変形例を示す。図１２に示されるガス検出器１０６及び図１３に示されるガス検出器１０７では、二次元材料層１の第２部分１ｂの平面形状が図１０に示されるガス検出器１０５とは異なっている。

【0149】

ガス検出器１０６，１０７の各々の二次元材料層１の第２部分１ｂと半導体層４との接触領域の面積は、ガス検出器１０５の第２部分１ｂと半導体層４との接触領域の面積よりも小さい。ガス検出器１０６，１０７では、第２部分１ｂと半導体層４との接触領域の面積は、平面視における第１部分１ａ及び第３部分１ｃの占有面積の和よりも小さい。

【0150】

ガス検出器１０６，１０７の各々の第２部分１ｂは、ガス検出器１０５の第２部分１ｂから、少なくとも二次元材料層１の延在方向（第１部分１ａ、第３部分１ｃ、及び第２部分１ｂが並んで配列している方向）と交差する方向において互いに間隔を隔てた複数の領域が除去されたものに対応する。ガス検出器１０６では、当該複数の領域の各平面形状が長方形状である。ガス検出器１０７では、当該複数の領域の各平面形状が正形状である。

【0151】

ガス検出器１０６，１０７の各々において、第１部分１ａ、第２部分１ｂ、及び第３部分１ｃの各平面形状は、二次元材料層１の延在方向と交差する方向の中心を通って上記延在方向に沿って延びる直線に対して対称である。なお、二次元材料層１の延在方向と交差する方向の中心を通る断面において、ガス検出器１０６，１０７は、例えばガス検出器１０５と同等の構造を有している。

【0152】

図１２に示されるガス検出器１０６の第２部分１ｂの平面形状は、櫛型形状（梯子型形状）である。ガス検出器１０６では、二次元材料層１の延在方向と交差する方向における第２部分１ｂの幅の総和が、当該交差する方向における第１部分１ａ及び第３部分１ｃの幅よりも狭い。ガス検出器１０６では、半導体層４を露出させる複数の開口部が形成されており、複数の開口部は上記交差する方向に並んで配置されている。

【0153】

図１３に示されるガス検出器１０７の第２部分１ｂの平面形状は、格子形状である。ガス検出器１０７では、二次元材料層１では、半導体層４を露出させる複数の開口部が形成されており、複数の開口部は二次元材料層１の延在方向及びこれと交差する方向の各々に並んで配置されている。ガス検出器１０７では、二次元材料層１の延在方向と交差する方向における第２部分１ｂの幅の総和の最小値が、当該交差する方向における第１部分１ａ及び第３部分１ｃの最小幅よりも狭い。

【0154】

ガス検出器１０６，１０７では、二次元材料層１の延在方向における第２部分１ｂの幅に応じて、二次元材料層１と半導体層４との接触領域の面積が調整される。そのため、ガス検出器１０６，１０７では、二次元材料層１と半導体層４との接触抵抗、ひいてはガス検出器の抵抗、が調整され得る。ガス検出器１０６，１０７では、図１０に示されるガス検出器１０５と比べて、ガス検出器の特性のばらつきが低減され、また暗電流が低減され得る。

【0155】

また、ガス検出器１０６，１０７では、第２部分１ｂの端面の面積の総和が、図１０に示されるガス検出器１０５の第２部分１ｂの端面の面積の総和と比べて、大きい。第２部分１ｂの端面は、二次元材料層１の厚さ方向、言い換えると二次元材料層１において原子が二次元的に配列されてなるシートと直交する方向、に沿って延びる面である。言い換えると、図１２及び図１３に示される各第２部分１ｂにおける二次元結晶構造の端面領域は、図１０に示される第２部分１ｂにおける二次元結晶構造の端面領域よりも増えている。そのため、図１２及び図１３に示される各二次元材料層１では、図１０に示される二次元材料層１と比べて、二次元結晶構造の未接合手（ダングリングボンド）の割合が増加する。その結果、電磁波照射によって半導体層４に生じたキャリアが二次元材料層１を経て各第１電極２ａに輸送される際に、図１２及び図１３に示される各二次元材料層１では、図１０に示される二次元材料層１と比べて、キャリア密度の変化の割合が大きくなり、キャリアの移動度が増加し、電流Ｉの変化量が多くなる。その結果、図１２及び図１３に示されるガス検出器１０６，１０７の検出感度は、図１０に示されるガス検出器１０５の感度と比べて、高い。

【0156】

また、ガス検出器１０６，１０７において、二次元材料層１の第２部分１ｂはグラフェンナノリボンであってもよい。グラフェンナノリボンは、その幅に応じて変化するバンドギャップを有する。そのため、グラフェンナノリボンで構成された第２部分１ｂの上記交差する方向の幅に応じて、第２部分１ｂにおいて光電変換され得る電磁波の波長域を調整でき、例えば他の領域において光電変換され得る電磁波の波長域よりも狭くすることができる。この場合、第２部分１ｂでの光電変換により生じた光キャリアは、他の領域での光電変換により生じた光キャリアとは切り分けて検出され得る。また、第２部分１ｂでの光電変換により生じた光キャリアを検出することで、ガス検出器の感度が向上する。また、このようなガス検出器では、グラフェンナノリボンで構成された第２部分１ｂと半導体層４とがショットキー接合するため、暗電流が低減され、かつショットキー接合部において吸収された電磁波により生成された光キャリアを検出することで感度が向上する。

【0157】

ガス検出器１０５～１０７は、第３検出部をさらに備えていてもよい。ガス検出器１０５～１０７は、第３の第１電極２ａと、第６二次元材料層と、第６二次元材料層を覆う第４被覆膜とをさらに有していてもよい。ガス検出器１０５～１０７では、絶縁層３に、第１開口部及び第２開口部の各々と間隔を空けて配置されている第３開口部がさらに形成されていてもよい。第３組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂは、第１組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂ、並びに第２組の第１電極２ａ及び第２電極２ｂの各々と間隔を空けて配置されている。第６二次元材料層は、第３開口部内から絶縁層３上にまで延在し、第３の第１電極と半導体層４との間を電気的に接続する。第４被覆膜は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波の透過を阻害するように設けられている。

【0158】

ここで、本実施の形態であるガス検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。
＜ガス検出器１００～１０７の変形例＞
ガス検出器１００～１０７の各々において、絶縁層３、半導体層４、強誘電体層６、接触層７、及び導電体８を構成する材料の少なくともいずれかが、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料であることが好ましい。

【0159】

ここで、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料としては、例えば、量子ドット、強誘電体材料、液晶材料、フラーレン、希土類酸化物、半導体材料、ｐｎ接合材料、金属－半導体接合材料、又は、金属－絶縁物－半導体接合材料等を用いることができる。例えば、強誘電体材料として、電磁波による分極効果（焦電効果）を有する強誘電体材料を用いる場合、電磁波の照射により、強誘電体材料に分極の変化が生じる。この結果、二次元材料層１に電位の変化を与えることができる。

【0160】

上述のように絶縁層３、半導体層４、強誘電体層６、接触層７、及び導電体８を構成する材料の少なくともいずれかが電磁波の照射により特性が変化する材料である場合、当該材料により構成された、絶縁層３、半導体層４、強誘電体層６、接触層７、及び導電体８の少なくともいずれかの特性が電磁波の照射により変化して、二次元材料層１に電位の変化を与えることができる。

【0161】

より好ましくは、絶縁層３、半導体層４、強誘電体層６、接触層７、及び導電体８を構成する材料の各々が、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料である。

【0162】

なお、接触層７に電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を適用する場合、接触層７は、必ずしも二次元材料層１に直接接触している必要はない。たとえば、電位の変化を二次元材料層１に与えることができれば、絶縁膜等を介して、二次元材料層１の上面又は下面上に接触層７を設けてもよい。

【0163】

実施の形態７．
図１４は、実施の形態７に係るガス検出器アレイの上面図である。図１５は、実施の形態７に係るガス検出器アレイから得られた電気信号を読み出す読出し回路の一例を示す模式図である。図１６は、実施の形態７に係るガス検出器アレイの第１変形例を示す上面図である。

【0164】

図１４に示されるように、実施の形態７に係るガス検出器アレイ１０００は、複数のガス検出器１００の集合体である。ガス検出器アレイ１０００は、検出素子として、実施の形態１～６のいずれかに係るガス検出器１００～１０７を複数有している。ガス検出器アレイ１０００は、たとえば、ガス検出器として実施の形態１に係るガス検出器１００を複数備えている。

【0165】

ガス検出器アレイ１０００では、複数のガス検出器１００の各々の検出波長は等しい。図１４に示されるように、ガス検出器アレイ１０００では、複数のガス検出器１００が二次元方向にアレイ状に配置されている。言い換えると、複数のガス検出器１００は、第１方向および第１方向と交差する第２方向に並んで配置されている。図１４に示されるガス検出器アレイ１０００では、４つのガス検出器１００が、２×２のアレイ状に配置されている。ただし、配置されるガス検出器１００の数はこれに限定されない。たとえば、複数のガス検出器１００を３以上×３以上のアレイ状に配置してもよい。また、２つのガス検出器１００に含まれる複数の検出部の各々が、アレイ状に配置されていてもよい。例えば、上述した、２つの第１検出部１００Ａ、第２検出部１００Ｂ、及び第３検出部が、２×２のアレイ状に配置されていてもよい。

【0166】

なお、図１４に示されるガス検出器アレイ１０００では、複数のガス検出器１００が二次元に周期的に配列されているが、複数のガス検出器１００は１つの方向に沿って周期的に配列されていてもよい。また、複数のガス検出器１００の各々の間隔は等間隔であってもよいし、異なる間隔であってもよい。

【0167】

また、複数のガス検出器１００をアレイ状に配置する際は、それぞれのガス検出器１００が分離できている限りにおいて、第１電極２ａ、第３電極２ｃは共通電極としてもよい。第１電極２ａ、第３電極２ｃを共通電極とすることで、各ガス検出器１００において第１電極２ａ、第３電極２ｃが独立している構成よりも、画素の配線を少なくすることが出来る。この結果、ガス検出器アレイを高解像度化することが可能となる。複数のガス検出器１００の各々を分離する方法としては、例えば各ガス検出器１００の外周を囲むように配置された絶縁層を設けてもよい。

【0168】

このように複数のガス検出器１００を用いたガス検出器アレイ１０００は、アレイ状に複数のガス検出器１００を配列することで画像センサとしても使用できる。

【0169】

ガス検出器アレイ１０００は、ガス検出器１００として実施の形態１～６に係るガス検出器のいずれかを備えていてもよい。ガス検出器アレイ１０００は、ガス検出器１００として実施の形態１～６に係るガス検出器のいずれかを備えていてもよい。

【0170】

ガス検出器アレイ１０００は、実施の形態１～６のうちのいずれか一つの実施形態に係るガス検出器を複数備えていてもよいし、実施の形態１～６のうちの２以上の実施形態に係るガス検出器を複数備えていてもよい。

【0171】

＜ガス検出器アレイ１０００の変形例＞
ガス検出器アレイ１０００は、複数のガス検出器１００の各々から得られた電気信号を読み出す読出回路または行列選択回路などの検出回路をさらに備えていることが好ましい。上記検出回路は、例えばアレイ状に配置された複数のガス検出器１００よりも外側に配置されていることが好ましい。上記検出回路は、複数のガス検出器１００とは別体である半導体チップ上に設けられており、複数のガス検出器１００の各々とバンプ等で電気的に接続されていてもよい。

【0172】

図１５は、上記検出回路を備えるガス検出器アレイ１０００の一例を示す模式図である。以下、ガス検出器アレイ１０００を構成する各ガス検出器１００（又は各検出部）を画素とも呼ぶ。ガス検出器アレイ１０００は、画素１００を垂直方向に走査する垂直走査回路３０１と、画素１００を水平方向に走査する水平走査回路３０２と、各回路にバイアス電圧を供給する電源回路３０３と、水平走査回路３０２からの信号をガス検出器アレイ１０００の外部へ出力する出力回路３０４とを備える。

【0173】

図１５に示されるガス検出器アレイ１０００は、１画素毎にガス検出器１００の応答を検出可能である。具体的には、垂直走査回路３０１に電圧を印加して１つの行を選択し、水平走査回路３０２に電圧を印加して１つの列を選択することで１画素の応答を読み出す。垂直走査回路３０１により選択した行を固定し、水平走査回路３０２に順次電圧を印加することによって、当該行の画素応答を全て読み出す。その後、同様に、垂直走査回路３０１に電圧を印加して他の行を選択し、水平走査回路３０２に順次電圧を印加することによって、当該他の行の画素応答を全て読み出す。これを繰り返すことで全画素の応答を読み出すことができる。

【0174】

本実施の形態では、垂直走査回路３０１と水平走査回路３０２を用いて１画素毎に応答を読み取る方法について説明したが、これに限定されず、行毎、列毎に応答を読みだしてもよいし、他の手法を用いてもよい。

【0175】

＜効果＞
図１５に示されるガス検出器アレイ１０００によれば、１画素毎の応答を検出可能であり、各画素間の差分検出を容易に行うことができるため、例えば複数種のガスの検出、又は空間分布の測定に特に有効である。

【0176】

図１６に示されるガス検出器アレイ２０００は、図１４に示されるガス検出器アレイ１０００と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、複数のガス検出器として種類の異なるガス検出器２００、２０１，２０２，２０３を備えている点で、図１４に示されるガス検出器アレイと異なる。すなわち、図１６に示されるガス検出器アレイ２０００では、互いに異なる種類のガス検出器２００，２０１，２０２，２０３がアレイ状（マトリックス状）に配置されている。

【0177】

図１６に示されるガス検出器アレイ２０００では、ガス検出器２００，２０１，２０２，２０３が２×２のマトリックス状に配置されているが、配置されるガス検出器の数はこれに限定されない。また、図１６に示されるガス検出器アレイ２０００では、複数のガス検出器２００，２０１，２０２，２０３が二次元に周期的に配列されているが、複数のガス検出器２００，２０１，２０２，２０３は１つの方向に沿って周期的に配列されていてもよい。また、複数のガス検出器２００，２０１，２０２，２０３の各々の間隔は等間隔であってもよいし、異なる間隔であってもよい。

【0178】

図１６に示されるガス検出器アレイ２０００では、上述の実施の形態１～６のいずれかに係る、種類の異なるガス検出器２００，２０１，２０２，２０３を、一次元又は二次元のアレイ状に配置することで、ガス画像センサとしての機能を持たせることができる。

【0179】

ガス検出器２００，２０１，２０２，２０３は、例えば互いに検出波長が異なるガス検出器である。具体的には、ガス検出器２００，２０１，２０２，２０３は実施の形態１～６のいずれかに係るガス検出器であって、互いに異なる検出波長選択性を有するガス検出器として準備されていてもよい。この場合、ガス検出器アレイは、少なくとも２つ以上の異なる波長の電磁波を検出することができる。

【0180】

このように異なる検出波長を有するガス検出器２００，２０１，２０２，２０３をアレイ状に配置することにより、可視光域で用いるイメージセンサと同様に、たとえば紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域などの任意の波長域において、電磁波の波長を識別できる。この結果、たとえば波長の相違を色の相違として示した、カラー化した画像を得ることができる。

【0181】

また、ガス検出器２００，２０１，２０２，２０３の各々に含まれる半導体層４の構成材料が、互いに異なる波長域に感度を有する半導体材料であってもよい。たとえば、検出波長が可視光の波長である半導体材料と、検出波長が赤外線の波長である半導体材料とを上記構成材料として用いてもよい。この場合、例えば、当該ガス検出器を車載センサに適用した時に、昼間は可視光画像用カメラとしてガス検出器を使用できる。さらに、夜間は赤外線カメラとしてもガス検出器を使用できる。このようにすれば、電磁波の検出波長によって、画像センサを有するカメラを使い分ける必要が無い。

【0182】

また、イメージセンサ以外のガス検出器の用途としては、たとえば少ない画素数でも、ガスの濃度分布検出を行うことが可能なガスマッピングセンサとして当該ガス検出器を用いることができる。たとえば、ガス検出器アレイの構造により、上記のように検出波長の異なるガス検出器２００，２０１，２０２，２０３を用いれば、複数波長の電磁波の強度を検出する画像センサが得られる。これにより、従来、ＣＭＯＳイメージセンサなどで必要であったカラーフィルタを用いることなく、複数の波長の電磁波を検出し、カラー画像を得ることができる。

【0183】

さらに、検出する偏光が異なるガス検出器２００，２０１，２０２，２０３をアレイ化することにより、偏光識別イメージセンサを形成することもできる。例えば、検知する偏光角度が０°、９０°、４５°、１３５°である４つの画素を一単位として、当該一単位のガス検出器を複数配置することで偏光イメージングが可能になる。偏光識別イメージセンサによって、例えば、人工物と自然物の識別、材料識別、赤外波長域における同一温度物体の識別、物体間の境界の識別、又は、等価的な分解能の向上などが可能になる。

【0184】

以上のように、ガス検出器アレイ２０００は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、ガス検出器アレイ２０００は、異なる波長の電磁波を検出することができる。

【0185】

上述した各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。さらに、上記実施の形態は実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の開示が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の開示が抽出され得る。

【0186】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

【符号の説明】

【0187】

１ 二次元材料層、１ａ 第１部分、１ｂ 第２部分、１ｃ 第３部分、１ｄ 接触部分、１ｅ 架橋部分、２ａ，２ａ１，２ａ２ 第１電極、２ｂ 第２電極
２ｃ 第３電極、３ 絶縁層、４ 半導体層、５ 被覆膜、６ 強誘電体層、７ 接触層、８ 導電体、１１ 第１二次元材料層、１２ 第２二次元材料層、１３ 第４二次元材料層、１４ 第５二次元材料層、３０ 凹部、３１ 開口部、３１Ａ 第１開口部、３１Ｂ 第２開口部、４１ 第１面、４２ 第２面、６１ 第１強誘電体層、６２ 第２強誘電体層、７１ 第１接触層、７２ 第２接触層、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，２００，２０１，２０２，２０３ ガス検出器、１００Ａ 第１検出部、１００Ｂ 第２検出部、３０１ 垂直走査回路、３０２ 水平走査回路、３０３ 電源回路、３０４ 出力回路、１０００，２０００ ガス検出器アレイ。

【要約】

ガス検出器（１００）は、絶縁層（３）と、絶縁層上に配置されている第１電極（２ａ）と、第１電極と電気的に接続されている二次元材料層（１）と、二次元材料層を介して第１電極と電気的に接続されている第２電極（２ｂ）とを備える。二次元材料層は、外部に露出している露出面を有している。二次元材料層は、検出対象のガスに吸収される波長域の電磁波が入射されたときに、光電変換が行われるように設けられている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】